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热管基础知识

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热管的起源与发展

热管技术早在1942年前就已出现,当时Perkins发明并改进了热虹吸管(一种简单的重力热管)。1942年后,Gaugler提出了现代热管的原理,但未实际应用。直到1963年在位于美国的LosAlamos国家实验室中G.M.Grover再次提出这一原理。并发明了以“热管”命名的传热元件。

热管属于一种传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外,其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。以前热管技术一直被广泛应用在宇航、军工等行业,被引入散热器制造业还是近几年的事情。

正是因为有热管技术的存在,使得人们改变了传统散热器的设计思路,摆脱了单纯依靠大风量风扇获得更好散热效果的传统散热模式。取而代之的是采用低转速、低风量风扇配合热管技术的崭新散热模式。热管技术更为PC的静音时代带来了契机。

热管的工作原理

物体的吸热、放热是相对的,凡是有温度差存在的时候,就必然出现热从高温处向低温处传递的现象。热传递有三种方式:辐射、对流、传导,其中热传导最快。热管就是利用蒸发制冷,使得热管两端温度差很大,使热量快速传导。

当热管的一端受热时,毛细芯中的液体蒸发汽化,蒸汽在微小的压差下流向另一端,放出热量凝结成液体,液体再靠毛细力(或重力)的作用,沿多孔材料流回蒸发段。如此循环不已,热量便从一端传到了另一端。

热管基本特性

热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热组件,具有以下基本特征:

1.很高的导热性 热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热,热阻很小,因此具有很高的导热能力。

2.优良的等温性 热管内腔的蒸汽是处于饱和状态,饱和蒸汽的压力决定于饱和温度,饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小,根据热力学中的Clausuis-Clapeyron方程式可知,温降亦很小,因而热管具有优良的等温性。

3.热流密度可变性 热管可以独立改变蒸发段或冷凝段的加热面积,即以较小的加热面积输入热量,而以较大的冷却面积输出热量,反之亦然。这样可以改变热流密度,解决一些其它方法难以解决的传热问题。

4.热流方向的可逆性 一根水平放置的有芯热管,由于其内部循环动力是毛细力,因此任意一端受热就可作为蒸发段,而另一端向外散热就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平,也可用于先放热后吸热的化学反应器及其它装置。

5.热二极与热开关性能 热管可做成热二极管或热开关。所谓热二极管就是只允许热流向一个方向流动,而不允许向相反的方向流动;热开关则是当热源温度高于某一温度时,热管开始工作,当热源温度低于这一温度时,热管就不传热。

6.恒温特性(可控热管) 普通热管的各部份热阻基本上不随加热量的变化而变,但可变导热管使得冷凝段的热阻随加热量的增加而降低、随加热量的减少而增加,这样可使热管在加热量大幅度变化的情况下,蒸汽温度变化极小,实现温度的控制,这就是热管的恒温特性。

7.环境的适应性 热管的形状可随热源和冷源的条件而变化。

设计热管时需考虑的因素:

热管在当前散热设计中常常使用,包括我们常见的笔记本电脑、手机等,都有热管。在设计热管时需要考虑以下因素:热负荷或要传递的热量;工作温度;管材;工作液;毛细结构;热管的长度和直径;蒸发区的接触长度;补偿区的接触长度;方向;热管弯曲和平整的影响等等。

热管的工作特性

热管的温度分类


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